低功耗设计
处理器、功率转换和外设
发布于2023-06-07
用户对电池供电和便携式设备的期望越来越高，设计工程师也在不断地满足越来越多的要求。如果工程师能够让仪器或消费设备变得更便携，那他们就会被催促着这样做。改进的锂离子电池已经使许多便携式设备变得更加实用。Wi-Fi®和蓝牙技术正在取代工业自动化系统中的电缆，无线通信已在消费和医疗设备中变得更为普遍。工业控制系统和物联网 (IoT) 设备需要变得更小、更轻，有时还需要变得更便携。即使没有便携式的需求，它们也确实需要让功耗更低。本文着眼于工程师如何检查他们的整体设计（包括微控制器、传感器和执行器等组件），从而尽可能降低功耗。
微控制器
虽然8位微控制器 (MCU) 的编程通常比32位MCU的编程更容易，但通过巧妙的硬件和配套软件，可以使32位设计同样低功耗，同时依然具有许多当前应用和新兴应用所需的功能。较宽的总线往往会消耗更多的能量，但它在每个周期内可以执行更多工作，并且在不使用时通常可以断电。8位架构虽然很流行，但在处理网络或通信时，很容易达到极限。
MCU的功耗并不总是容易确定，因为它取决于许多变量，包括时钟速度、外设使用、电源电压和内存活动。此外，温度还会影响电源的性能，与室温相比，80°C时超低功耗 (ULP) MCU的供电电流增加了10倍。在软件的帮助下，能耗问题可以大为改观，因此工程师应该寻求可以在这方面提供建议的制造商。
超低功耗32位MCU的核心也许可以分为三大主流处理器：Arm® Cortex®-M0、Arm Cortex-M4和RISC-V。以下示例包含了这些流行的处理器。
微控制器示例
STMicroelectronics的低成本STM32C011 MCUc采用32位Arm Cortex-M0+内核，具有直接内存访问 (DMA)、四个带电机控制的16位定时器、两个USART、一个实时时钟 (RTC)、一个快速12位模数转换器 (ADC) 和循环冗余校验 (CRC)。STM32C011的电压为3.0V，在48MHz运行模式下消耗3800µA，在停止模式下消耗80µA，在待机模式下消耗8.0µA，在停机模式下仅消耗0.02µA。该IC具有高达32kB的闪存和6kB或12kB的SRAM，具有嵌套向量中断控制。
Texas Instruments提供全系列低功耗SimpleLink™无线MCU。CC2651R3是一款2.4GHz器件，采用48MHz Arm Cortex-M4处理器，支持低功耗蓝牙、Zigbee和802.15.4低数据速率WPAN。它具有352kB闪存、32kB超低泄漏SRAM和8kB高速缓存SRAM。该MCU在有源模式（运行CoreMark®）下消耗2.9mA，在运行CoreMark时消耗61μA/MHz，在使用RTC和32kB RAM的待机模式下消耗0.8μA，在关断模式下消耗0.1μA。该芯片的无线电功耗为6.4mA Rx，0dBm时为−7.1mA Tx，+5dBm时为9.5mA Tx。该IC具有AES 128位加密加速器、真随机数发生器、八通道12位ADC以及温度和电池监视器。
Analog Devices MAX32670超低功耗微控制器使采用带浮点运算单元 (FPU) 的Arm Cortex-M4 CPU。它针对的是具有复杂传感器处理能力的工业和物联网应用，以及AES和CRC硬件加速引擎。该芯片具有用于1.5V内核的低压差 (LDO) 稳压器，采用1.7V至3.6V单电源供电。它在100MHz有源状态下消耗5.0mA，在1.8VDD的备份模式下仅消耗2.6μA即可实现全内存保留。该芯片具有高达384kB的闪存和160kB的SRAM，并在其整个RAM空间内具有纠错码 (ECC) 功能。它提供两个低功耗定时器，即使在超低功耗睡眠模式下也能实现脉冲计数和PWM生成，此外还有I2C、50MHz SPI和UART等外设。
英飞凌CY8C4247LQQ-BL483 32位PSoC™ 4 MCU具有带2.4GHz低功耗蓝牙的24MHz Arm Cortex-M0内核、12位1MS/s SAR ADC、CAPSENSE™触摸按钮接口，以及高达256kB的闪存和32kB的SRAM。该器件可由电压范围为1.9V至5.5V的电池供电。在有源模式下，3MHz闪存程序执行时的电源电流为1.7mA，而在使用钟表晶体振荡器 (WCO) 的深度睡眠模式下，该电流仅为1.5μA。休眠模式在RAM保持的情况下仅消耗150nA。该芯片有四个可编程逻辑块，每个块有八个宏单元。
Microchip Technology ATSAML21E MCU在TQFP-32封装中集成了一个时钟频率为48MHz的Arm Cortex M0+内核。该芯片采用先进的电源管理技术，如电源域门控、SleepWalking和超低功耗外设。它在有源模式下的功耗低至35μA/MHz，在睡眠模式下的功耗低至200nA。ATSAML21E的工作电压介于1.62V和3.63V之间，并提供五个独立的电源域。该IC具有一个单周期硬件乘法器、一个微跟踪缓冲器、16个外部中断、一个非屏蔽中断和一个16通道DMAC。它还具有一个12通道事件系统和多达五个16位定时器/计数器。在3.3V电压下，所有功能运行时的有源电流约为85µA/MHz，12MHz时的空闲电流约为200µA。其待机电流低至1.5µA（或105°C时为50µA）。该MCU还具有备份状态，由VBATT输入供电，仅消耗约0.2µA。
NXP Semiconductors LPC55S66 MCU具有一个150Mhz的Arm Cortex-M33内核和另一个M33协处理器（图1），但它的功耗仍然非常低。M33内核采用Armv8-M架构打造，具有多种高级安全功能，包括TrustZone、FPU、即时闪存加密/解密和内存保护单元 (MPU)。它具有256MB闪存和144kB SRAM（也可选择640KB/320KB）和九个灵活的串行通信外设（USART、SPI、高速SPI、I2C或I2S接口）。该IC还提供集成DSP指令，支持安全启动、HASH、AES、RSA、UUID、DICE、动态加密和解密、调试验证和串行线调试。在CPU0中从SRAM执行CoreMark代码、CPU1处于关闭模式、闪存断电、时钟频率12MHz的情况下，供电电流为0.9mA。在150MHz时，电流为6.2mA。在CPU0处于睡眠模式、CPU1处于关闭模式、时钟频率为12MHz的情况下，VCC电流为0.7mA；深度睡眠时电流可低至0.11mA。
图1：NXP LPC55S66微控制器框图，显示了双核和所有外设（图源：NXP Semiconductors）
Silicon Labs EFR32BG22无线Gecko蓝牙5.2片上系统 (SoC) 结合了超低发射输和接收功率（3.6mA Tx @ 0dBm、2.6mA Rx）和安全性增强的单核Arm Cortex-M33 CPU，有源模式下功耗为27µA/MHz，睡眠模式下为1.2µA。该器件使用纽扣电池的续航时间长达十年，并提供高达512kB的闪存和32kB的RAM。其特性包括带信任根和安全加载程序的安全启动、12位或16位ADC、DMA、双I2C端口和26个通I/O引脚。单电源工作电压范围为1.71V至3.8V。
Espressif Systems（乐鑫科技）是一家基于Xtensa或RISC-V CPU打造射频SoC和模块的制造商。其所有器件均支持2.4GHz 802.11b/g/n Wi-Fi和低功耗蓝牙5。ESP32-C3FH4是一款低功耗SoC，采用160MHz RISC-V内核，具有400kB SRAM（16kB缓存）和384kB ROM。芯片上还有14个可编程GPIO、一个DMA控制器、一个SAR ADC和一个温度传感器。在调制解调器空闲、CPU运行的情况下，供电电流为23mA。在浅睡眠模式下（VDD为3.3V，SPI和Wi-Fi断电，所有GPIO处于高阻抗），供电电流仅为130µA。
传感器
近年来，几乎每种类型的传感器所需的功率都有了明显的降低。这种低功耗和低成本的趋势，使现在的设计能够监控丰富多样的事物，从机械和健康到通信系统、宠物和环境。
传感器示例
STMicroelectronics提供各种微机电系统 (MEMS) 传感器，为消费者移动、医疗保健和零售应用带来了性能飞跃和新功能。这些器件为以极低功耗运行的边缘应用带来了自适应机器学习功能。电荷变化 (QVAR) 传感通道可监测静电电荷的变化，以提供接触传感。其应用包括湿度和冷凝传感、人体存在检测、活动监控和人数统计。
ST的MEMS产品组合包括LPS22DF气压传感器和防水的LPS28DFW气压传感器，它们的有源供电电流低至1.7µA，绝对压力精度为0.5hPa。LIS2DU12三轴加速度计提供出色的超低功耗架构，具有主动抗混叠功能，在100Hz时仅消耗3.5µA。
功率转换
大多数现代化的可充电电池供电设计采用单个锂离子 (Li-ion) 电池，而初级（不可充电）设计使用由二氧化锰锂制成的纽扣电池。通常，锂离子充电电池的充电截止电压为4.2V，放电截止电压为3.0V。3V CR2032纽扣电池的放电截止电压为2.0V，最大充电点为3.2V。许多MCU有一个内部稳压器，可以直接处理这些电压。
如今，虽然高效的功率转换已成为理所当然的事情，但当设计的电流非常低时，要实现高效率就不是一件容易的事情了。对于电池供电设计，系统还必须在低电池电压和高电池电压下运行。LDO线性稳压器可能适用于这种情况，但稳压电荷泵在低电流时可能非常高效。
功率转换器示例
Texas Instruments TPS62743是一款超低功耗DC-DC降压转换器，静态电流仅为360nA。该器件采用DCS-Control™拓扑结构，工作时的典型开关频率为1.2MHz，使用2.2µH电感器和10µF输出电容。在节能模式下，该器件将轻负载效率扩展至10µA电流负载范围。其输入电压范围为2.15V至5.5V，提供最大300mA的电流。一旦启动，该器件可在低至2.0V的输入电压下运行，因而能够直接使用单节Li-MnO2纽扣电池运行。
Torex Semiconductor XC9265系列降压DC/DC转换器内置0.4Ω N沟道和P沟道开关晶体管，并具备短路保护和欠压锁定功能。这些芯片使用脉冲频率调制 (PFM)，具有1.0V至4.0V (±2.0%) 的固定输出电压，增量为0.05V，可向下调节至非常低的电流负载。这些器件的输入电压为2.0V至6.0V，最大输出电流为200mA (XC9265A/C) 或50mA (XC9265B/D)，供电电流仅为0.5µA。
固态继电器
固态继电器已经完善到了可用于超低功耗设计的程度。对于使用小型电池供电装置驱动外部设备，例如警报器或控制阀而言，这将是一大利好。
固态继电器示例
Omron G3VM201D MOSFET继电器（图2）在大约1.6V的电压下，需要的触发正向输入电流典型值仅为0.5mA（最大2mA）。这是一款常开、光电隔离、SPST开关，采用四引脚表面贴装封装，可在200V AC/DC负载下处理高达200mA的电流。其绝缘强度为5000VAC（持续1s），部分型号可选限流功能。
图2：Omron G3VM201D低驱动电流隔离式固态继电器仅需要0.5mA的触发正向输入电流（图源：Omron）
Panasonic AQY4C是一款AC/DC、两用、PhotoMOS、常闭继电器，I/O隔离电压为200VRMS，输出额定值为60V和0.15A。其所需输入电流仅为0.2mA，输入电压为3V至5V。输出导通电阻典型值为4Ω。它采用小型四引脚3.5mm TSON封装。
结语
超低功耗和无线技术的结合是21世纪迄今为止的主要趋势之一，对于大量电池供电的新型消费和医疗设备如此，但对于其他设计也是如此。例如，要在汽车仪表盘中优先考虑低功耗，就需要更小、更轻的布线，从而节省能源。各种工业控制或物联网设备都是如此，设计工程师有机会通过明智的元件选择来改善许多系统和产品。
作者简介
Harrison先生是一名电子工程师，自1989年以来一直在工业自动化和科学仪器公司担任高级设计工程职位。2004年开始写作，并在Hearst Business Media的《Electronics Products Magazine》（电子产品杂志）担任高级编辑长达14年，现担任Lincoln Technology Communications顾问。